תופעות כמו רגישות דיאלקטרית ופריטיטיביות נמצאות לא רק בפיזיקה, אלא גם בחיי היומיום. בהקשר זה, יש צורך לקבוע את משמעותן של תופעות אלו במדע, השפעתן ויישומה בחיי היומיום.
קביעת מתח
עוצמה היא כמות וקטורית בפיזיקה, אשר מחושבת מהכוח המשפיע על מטען חיובי יחיד המוצב בנקודת השדה הנחקר. לאחר שהדיאלקטרי מונח בשדה אלקטרוסטטי חיצוני, הוא רוכש מומנט דיפול, במילים אחרות, הוא הופך למקוטב. כדי לתאר כמותית את הקיטוב בדיאלקטרי, נעשה שימוש בקיטוב - אינדקס פיזיקלי וקטורי המחושב כמומנט הדיפול של ערך הנפח של הדיאלקטרי.
וקטור העוצמה לאחר מעבר דרך הפנים בין שני דיאלקטרים עובר שינויים פתאומיים, הגורם להפרעות במהלך חישוב שדות אלקטרוסטטיים. בהקשר זה, מוצג מאפיין נוסף - הווקטורתזוזה חשמלית.
באמצעות הפריטטיביות, אתה יכול לגלות כמה פעמים דיאלקטרי יכול להחליש שדה חיצוני. על מנת להסביר בצורה הרציונלית ביותר שדות אלקטרוסטטיים בדיאלקטריות, נעשה שימוש בווקטור התזוזה החשמלי.
הגדרות בסיסיות
הפריטיטיביות המוחלטת של מדיום היא מקדם הנכלל בסימון המתמטי של חוק קולומב ובמשוואת הקשר בין עוצמת השדה החשמלי והאינדוקציה החשמלית. אפשר לייצג את הפריטיטיביות המוחלטת כמכפלה של הפריטיטיביות היחסית של המדיום וקבוע החשמל.
רגישות דיאלקטרית, הנקראת קיטוב של חומר, היא גודל פיזיקלי שניתן לקוטב בהשפעת שדה חשמלי. זהו גם מקדם החיבור הליניארי של השדה החשמלי החיצוני עם הקיטוב של הדיאלקטרי בשדה קטן. הנוסחה עבור הרגישות הדיאלקטרית כתובה כך: X=na.
ברוב המקרים, לדיאלקטריות יש רגישות דיאלקטרית חיובית, בעוד שערך זה הוא חסר ממד.
Ferroelektricity היא תופעה פיזיקלית הקיימת בגבישים מסוימים, הנקראים פרו-אלקטריות, בערכי טמפרטורה מסוימים. הוא מורכב מהופעת קיטוב ספונטני בגביש גם ללא שדה חשמלי חיצוני. ההבדל בין פרו-אלקטריקים לפירו-אלקטריקים הואשבטווחי טמפרטורות מסוימים שינוי הגביש שלהם משתנה, והקיטוב האקראי נעלם.
חשמלאים בשטח לא מתנהגים כמו מוליכים, אבל הם חולקים מאפיינים משותפים. דיאלקטרי שונה ממוליך בהיעדר נשאים טעונים בחינם. הם שם, אבל בכמויות מינימליות. במוליך, אלקטרון שנע בחופשיות בסריג הגבישי של מתכת יהפוך לנושא מטען דומה. עם זאת, אלקטרונים בדיאלקטרי קשורים לאטומים שלהם ואינם יכולים לנוע בקלות. לאחר הכנסת דיאלקטריות לשדה עם חשמל, מופיעה בו חשמול, כמו מוליך. ההבדל מדיאלקטרי הוא שהאלקטרונים אינם נעים בחופשיות בכל הנפח, כפי שהוא עושה במוליך. אולם בהשפעת שדה חשמלי חיצוני נוצרת תזוזה קלה של מטענים מתוך מולקולת החומר: חיובי יעוז לכיוון השדה ושלילי יהיה להיפך.
בהקשר זה, המשטח מקבל מטען מסוים. ההליך להופעת מטען על פני השטח של חומר בהשפעת שדות חשמליים נקרא קיטוב דיאלקטרי. אם בדיאלקטרי הומוגני ולא קוטבי עם ריכוז מסוים של מולקולות כל החלקיקים זהים, אז גם הקיטוב יהיה זהה. ובמקרה של הרגישות הדיאלקטרית של הדיאלקטרי, ערך זה יהיה חסר מימד.
חיובים כרוכים
עקב תהליך הקיטוב, מטענים לא מפוצים מופיעים בנפח של חומר דיאלקטרי, הנקרא קיטוב או קשור. חלקיקים,בעלי מטענים אלו, נמצאים במטענים של מולקולות ובהשפעת שדה חשמלי חיצוני, נעקרים ממיקום שיווי המשקל מבלי לעזוב את המולקולה שבה הם נמצאים.
מטענים קשורים מאופיינים בצפיפות פני השטח. הרגישות והחדירות הדיאלקטרית של המדיום קובעות כמה פעמים כוח הקישור של שני מטענים חשמליים בחלל קטן מאותו מחוון בוואקום.
רגישות האוויר והחדירות היחסית של רוב הגזים האחרים בתנאים סטנדרטיים קרובה לאחדות (בשל המטוס הקטן). הרגישות הדיאלקטרית והפריטיטיביות היחסית בפרו-אלקטריות היא עשרות ומאות אלפים על משטח ההפרדה של זוג דיאלקטריות עם רגישות מוחלטת ורגישות מוחלטת שונה של החומר, כמו גם רכיבי חוזק משיק שווים ביניהם.
בין מצבים מעשיים רבים, יש מפגש עם מעבר זרם מגוף מתכת לעולם הסובב, בעוד המוליכות הספציפית של האחרון קטנה פי כמה מהמוליכות של גוף זה. מצבים דומים יכולים להתרחש, למשל, במהלך מעבר זרם דרך אלקטרודות מתכת קבורות באדמה. לעתים קרובות נעשה שימוש באלקטרודות פלדה. אם המשימה היא לקבוע את הרגישות הדיאלקטרית של זכוכית, אז המשימה תהיה מסובכת במקצת בגלל העובדה שלחומר זה יש תכונה של הרפיית יונים, שבגללהאיחור.
בגבול של זוג דיאלקטריות עם חדירות שונות בנוכחות שדה חיצוני, מטענים קיטוב מופיעים עם מדדים שונים עם צפיפות פני שטח שונה. כך מתקבל תנאי חדש לשבירה של קו השדה במהלך המעבר מדיאלקטרי לאחר.
חוק השבירה במקרה של קווי זרם בצורתו יכול להיחשב דומה לחוק השבירה של קווי תזוזה על סף שני דיאלקטריים בשדות אלקטרוסטטיים.
לכל גוף וחומר של העולם הסובב יש תכונות חשמליות מסוימות. הסיבה לכך נעוצה במבנה המולקולרי והאטומי - נוכחותם של חלקיקים טעונים הנמצאים במצב מקושר ביניהם או חופשי.
אם החומר אינו מושפע משדה חיצוני, אז חלקים כאלה ממוקמים, מאזנים זה את זה, בנפח הכולל, מבלי ליצור שדות חשמליים נוספים. אם ישנה יישום של אנרגיה חשמלית מבחוץ, תופיע חלוקה מחדש של מטענים בתוך המולקולות והאטומים הקיימים, מה שיוביל להופעת שדה פנימי משלו, שיופנה כלפי חוץ.
כאשר ייעוד השדה החיצוני המוחל כ-E0, ו-E' פנימי, אזי השדה E כולו יהיה סכום הערכים הללו.
כל החומרים בחשמל מחולקים בדרך כלל ל:
- conductors;
- דיאלקטריק.
סיווג זה קיים כבר זמן רב, אך אינו מדויק לחלוטין, מכיוון שהמדע גילה זמן רב גופים עם גופים חדשים או משולביםמאפייני החומר.
Conductors
כמו חומרים מוליכים יכולים להיות מדיה שבה יש חיובים בחינם. מתכות נחשבות לעתים קרובות לעניינים כאלה, שכן המבנה שלהן מרמז על נוכחות מתמדת של אלקטרונים חופשיים שיכולים לנוע בתוך כל חלל החומר. הרגישות הדיאלקטרית של המדיום מאפשרת לך להיות שותף בתהליך התרמי
אם המוליך מבודד מהשפעת שדה חשמלי חיצוני, אז מופיע בתוכו איזון בין מטענים חיוביים ושליליים. מצב זה נעלם מיד כאשר מופיע מוליך בשדה חשמלי, המפיץ מחדש חלקיקים טעונים באנרגיה שלו ומעורר הופעת מטענים לא מאוזנים בעלי ערך חיובי ושלילי על פני השטח החיצוניים
תופעה זו נקראת אינדוקציה אלקטרוסטטית. המטענים שהופיעו תחת פעולתו על פני המתכת נקראים מטענים אינדוקציה.
המטענים האינדוקטיביים שנוצרו במוליך יוצרים שדה משלהם, המפצה על השפעת השדה החיצוני בתוך המוליך. בהקשר זה, האינדיקטור של השדה האלקטרוסטטי הכולל יפוצה וישווה ל-0. הפוטנציאלים של כל נקודה בפנים ובחוץ שווים.
תוצאה זו מצביעה שבתוך המוליך (אפילו עם שדה חיצוני מחובר) אין הבדל בפוטנציאלים ואין שדה אלקטרוסטטי. עובדה זו משמשת במיגון עקב השימוששיטת הגנה אלקטרו-אופטית על אדם וציוד חשמלי הרגיש לשדות, במיוחד מכשירי מדידה בעלי דיוק גבוה וטכנולוגיית מיקרו-מעבד.
יש גם קשר בין היתר לרגישות. עם זאת, ניתן לבטא זאת באמצעות נוסחה. אז לקשר בין הקבוע הדיאלקטרי לבין הרגישות הדיאלקטרית יש את הסימון הבא: e=1+X.
עקרון ESD
בעזרת מיגון, בגדים ונעליים העשויים מחומרים בעלי תכונות מוליכות, לרבות כובעים, משמשים בתחום האנרגיה לבטיחות העובדים בתנאי מתח גבוה הנגרמים ממכשירי מתח גבוה. השדה האלקטרוסטטי אינו חודר לתוך המוליך, מכיוון שכאשר המוליך יוכנס לשדה החשמלי, הוא יפוצה על ידי השדה הנוצר עקב תנועת מטענים חופשיים.
דיאלקטרי
שם זה שייך לחומרים בעלי איכויות בידוד. הם מכילים רק חיובים מחוברים, לא חינמיים. כל חלקיק חיובי בהם ייקשר לחלקיק שלילי בתוך אטום בעל מטען ניטרלי משותף ללא תנועה חופשית. הם מופצים מתוך הדיאלקטריים ואינם יכולים לשנות את מיקומם בהשפעת שדות חיצוניים. יחד עם זאת, הרגישות הדיאלקטרית של החומר והאנרגיה הנובעת עדיין כרוכים בשינויים מסוימים במבנה החומר. מתוך האטום והמולקולה, היחס משתנהמטענים חיוביים ושליליים של החלקיק, ומטענים מחוברים לא מאוזנים נוספים מופיעים על פני החומר, ויוצרים שדה חשמלי פנימי. הוא מכוון למתח המופעל מבחוץ.
תופעה זו נקראת קיטוב דיאלקטרי. ניתן לאפיין אותו בכך ששדה חשמלי נובע מתוך החומר, הנגרם מהשפעת האנרגיה החיצונית, אך נחלש עקב פעולת הנגד של השדה הפנימי.
סוגי קיטוב
בתוך דיאלקטריים, זה יכול להיות מיוצג על ידי שני סוגים:
- orientation;
- electronic.
לסוג הראשון יש גם שם נוסף - קיטוב דיפול. תכונה זו טבועה בדיאלקטריות עם מרכזים עקורים במטען החיובי והשלילי, היוצרים מולקולות מדיפולים קטנים - שילוב ניטרלי של זוג מטענים. תופעה זו אופיינית לנוזל, מימן גופרתי, הנישא חנקן.
ללא השפעת שדה חשמלי חיצוני בחומרים אלו, דיפולים מולקולריים מכוונים באופן אקראי בהשפעת שינויי טמפרטורה קיימים, כאשר מטען חשמלי אינו מופיע בחלק החיצוני של הדיאלקטרי.
תמונה זו משתנה תחת פעולת האנרגיה המופעלת מבחוץ, כאשר הדיפולים אינם משנים הרבה את כיוון שלהם ומטענים קשורים מאקרוסקופיים לא מפוגצים מופיעים על פני השטח, ויוצרים שדה בכיוון הפוך לשדה המופעל מבחוץ.
קיטוב אלקטרוני, אלסטימנגנון
תופעה זו מתרחשת בדיאלקטריות לא קוטביות - חומרים מסוג אחר עם מולקולות שאין בהן מומנט דיפול, אשר, בפעולת שדה חיצוני, מעוות כך שרק מטענים חיוביים מכוונים ב- כיוון וקטור השדה החיצוני, ומטענים שליליים - בכיוון ההפוך
כתוצאה מכך, כל מולקולה מתפקדת כדיפול חשמלי המכוון לאורך ציר השדה החיצוני המופעל. באופן דומה, מופיע שדה משלו על פני השטח החיצוניים, שיש לו כיוון הפוך.
קיטוב של דיאלקטרי לא קוטבי
עבור חומרים אלה, השינוי של מולקולות והקיטוב שלאחר מכן מהשפעת השדה בחוץ אינם תלויים בתנועתם בהשפעת הטמפרטורה. מתאן CH4 יכול לשמש כדיאלקטרי לא קוטבי. האינדיקטורים המספריים של השדה הפנימי עבור שני הדיאלקטריים ישתנו בתחילה בגודלם ביחס לשינוי בשדה החיצוני, ולאחר הרוויה מופיעות השפעות מסוג לא ליניארי. הם מופיעים כאשר כל דיפול מולקולרי מסודר לאורך קווי הכוח ליד דיאלקטריות קוטביות, או מתרחשים שינויים בחומרים לא קוטביים, הנגרמים על ידי עיוות חזק של אטומים ומולקולות מכמות גדולה של אנרגיה המופעלת מבחוץ. במקרים מעשיים, זה קורה לעתים רחוקות ביותר.
קבוע דיאלקטרי
בין חומרי הבידוד, ניתן תפקיד רציני למחוונים חשמליים ומאפיין כזה כמו קבוע דיאלקטרי. שניהם נשפטים לפי שני מאפיינים שונים:
- ערך מוחלט;
- מחוון יחסי.
המונח המתירנות המוחלטת של חומר מתייחס לסימון המתמטי של חוק קולומב. בעזרתו מתואר הקשר בין וקטור האינדוקציה לעוצמה בצורה של מקדם.
